混凝土面板应力分析可视化程序研发与应用

2018-09-28袁秋霜

西北水电 2018年4期

袁秋霜,菅强,韩庆

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2 西安航天基地配套工程服务有限公司，西安 710065)

0 前言

对于混凝土面板堆石坝，趾板、面板与防浪墙是重要组成部分，布置于大坝最上游，为钢筋混凝土建筑物，自下而上联合组成防渗体，起主要防渗作用。混凝土面板为大坝的主要防渗结构，但厚度较薄；其下游的堆石体垫层虽为低透水性，但其渗透系数仍比面板混凝土大若干数量级，因而渗漏水的水头损失主要发生在面板的厚度范围内，使面板承受很大的水力梯度[1]。面板在运行期中，长时间挡水，随着库水位的升降，混凝土面板在垫层坡面上随堆石体的变形而产生位移与挠曲变形，一般总体呈凹镜形，使各条面板自两侧向中央部位滑移[2-3]。如果坝体沉降变形较大，以及面板与堆石体变形不协调，面板内部会形成极为复杂的应力状态，从而引发面板局部挤压破坏和面板的结构性裂缝[4-5]。面板的结构性裂缝主要表现为坝肩附近平行于趾板线的斜向裂缝和面板水平向的张拉裂缝；坝肩的斜向裂缝主要缘于坝肩处堆石的不均匀变形，而面板水平向张拉裂缝则主要由堆石整体变形所导致的面板拉应力过大所造成的。表1列举出部分目前已建的面板堆石坝的面板破坏情况统计，局部挤压破坏与结构性裂缝为面板破坏的2种主要形式。因此，进一步研究中高面板堆石坝的面板应力问题，加强面板应力监测与分析，对改进设计方法、面板渗漏查找修复具有重要的工程意义[6-8]。

表1 已建面板堆石坝面板破坏情况统计表

1 面板应力监测数据分析

首先，面板应力测点布置。对于大坝面板应力监测，测点应按面板条块布置，通常选取河谷最长面板条块及其左右岸坡各一面板条块。对于高度超过100 m的1级坝，宜在可能产生挤压破坏的面板条块增设1个监测断面。测点布置于面板条块的中心线上，面板钢筋计布置顺坡和水平两向[9-10]。对于高坝以及形态特殊的大坝面板，要专门研究面板应力监测方案，加强监测点的数量[11]。因此，一般而言，大坝面板的监测仪器数量众多，各支仪器从埋设后开始采集数据，在持续数年的施工期，会积累较为庞大的监测数据，分析工作任务较重。

其次，面板应力监测数据分析的主要困难在于监测点数量众多，且各监测点的空间分布不同，在施工期随着时间的推移，各监测点数据都处于不断的变化之中，对某一个关键时刻的面板整体应力分布规律可通过逐一查看此时各个测点的应力值，能够获得一个宏观的认识。但是想获得面板整体应力分布随时间动态变化的发展趋势便使得工作量骤增。常规的面板应力监测数据分析首先绘制各测点的应力变化过程曲线，通过分别查看各测点的过程曲线来了解大坝面板的整体情况[12]。缺点在于，获得的监测数据相对独立，无法将所有测点的历史数据形成一个随时间同步推进、同步展示的整体进行分析。从而对不同时刻的整个面板全部测点综合应力分布规律掌握不足。

因此，迫切需要一种强有力的手段对面板应力监测数据分析工作进行辅助，强化整体分析与动态分析的能力，准确掌握不同大坝面板独特的受力特点。针对以上需求，结合目前已有的监测数据整编分析手段，采用可视化程序语言编制了一款对全局数据进行同步推移、同步展示的辅助程序，实现了对已有监测数据的整合分析与提炼。

2 程序简介

(1) 编程工具

采用可视化程序语言Visual Basic(简称VB)，该编程工具是Microsoft公司开发的一种通用的基于对象的程序设计语言，为结构化和模块化，以面向对象、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。功能强大，便于维护。

(2) 基础数据

需要的基础数据共2部分，分别为所有测点应力数据表1份(xls格式)和大坝面板应力监测点分布图(jpeg格式)1张。

(3) 程序界面

程序包含2个窗口。首先是数据输入窗口(见图1)。通过按钮“输入应力值”选取测点应力数据表(xls格式)，输入的监测数据会显示在本窗口内，以方便查看。

图1 数据输入界面图

数据输入后，会自动启动“应力动态分布图”窗口(见图2)。窗口中展示的面板体型为事先导入的“大坝面板应力监测点分布图”。窗口底部为滑动条控件，用于控制窗口中显示的数据值的时刻。窗口左下角为图例及大坝面板的相关参数。

(4) 功能简介

1) 用户可以手动拖动滑动条的滑块，使其指向任意想要查看的时刻。

图2 应力动态分布图界面图

2) 应力动态分布图窗口中显示出滑块所指示日期的各监测点的应力值分布总图。压应力用“-”，拉应力用“+”。横向钢筋计应力用水平短线表示，纵向钢筋计应力用竖直短线表示。

3) 如果滑块所指示时刻水库已蓄水，应力动态分布图窗口中会显示指示时刻的库水在大坝面板上的淹没线，并标注当前库水位高程。

4) 本程序设置了动态预警分析功能，用户可以手动输入面板应力警戒限值，当某监测点应力超限时，会在应力动态分布图窗口中突出显示。

3 应用演示

在云南某高面板堆石坝面板应力监测资料分析工作中，采用本分析辅助程序，对面板整体应力的演变过程进行分析与研究，时间跨度从监测仪器安装埋设至水库蓄水运行。程序应用结果见图3～6。

图3 2014年4月6日面板钢筋计应力分布图 (未蓄水)

从图3～6看出，云南某高面板堆石坝河谷最长面板条块上钢筋应力在不同时段的变化情况及对应的测值，钢筋应力在仪器安装初期部分受拉部分受压状态，到蓄水至正常蓄水位时钢筋应力均为受压状态。通过对面板应力分析可视化程序的应用，监测数据分析人员能够快速且直观掌握不同时段面板应力的变化过程与变化趋势，为后续面板应力问题的研究打下一定的基础。